汽车底盘系统螺纹联接防松策略探究

摘 要：螺纹联接是汽车底盘系统最广泛的联接方式，螺纹联接技术是确保联底盘联接可靠性的最重要技术之一；紧固联接松动是螺纹联接最常见的失效问题，如何有效解决螺纹防松问题一直是确保汽车底盘联接设计的关键环节；通过对螺纹联接系统原理及敏感因素DOE分析，TOP3影响因素为摩擦系数（端面摩擦系数及螺纹摩擦系数）、螺栓伸长量；对TOP3因素的防松策略进行探究，提出汽车底盘系统螺纹联接防松策略，以供行业参考。

关键词：螺纹联接系统原理 端面摩擦系数 螺纹摩擦系数 螺栓伸长量

螺纹紧固件因其装卸方便、复用性高被汽车行业广泛应用，在ISO、JIS中已形成标准化设计；汽车底盘紧固螺纹在受到路面冲击、交变载荷、温度影响时，螺纹联接副因磨损易导致联接返松问题；随着汽车行驶里程的增加，紧固联接结构中夹紧长度的变化也会导致联接返松问题；随着汽车行业不断趋向电动化、高速化的发展，汽车底盘系统螺纹联接可靠性直接影响车辆行驶安全，可通过对紧固联接螺纹松动机理进行分析，探究合理的防松策略，提升汽车底盘系统紧固联接可靠性。

1 螺纹松动原因

紧固联接系统原理见图1，紧固联接系统依靠紧固力矩使螺栓伸长获得夹紧轴力，通过系统摩擦性能抑制螺栓伸长率变化，产生防松力矩TL，实现紧固联接可靠性；联接系统受到冲击、交变载荷、温度影响时，联接系统摩擦性能因螺纹副滑移、松动而降低，螺栓伸长量因螺栓蠕变/塑变而减小，最终导致紧固联接失效，前者称为旋转松动，后者称为非旋转松动。

螺纹拧紧过程中，克服螺纹部分阻力：

其中α为螺纹牙型半角，为螺纹摩擦系数

克服支撑面部分阻力：

其中为端面摩擦系数

克服螺纹部分力矩：

其中，为螺距，为螺纹中径

克服支撑面部分力矩：

其中，

为支撑面等效直径，见图2

紧固扭矩T可表达为：

公式中d2μs/cosα、dwμw因子属紧固系统摩擦属性，对防止螺纹松动有利，P/π因子对应紧固时轴向拉伸引起的螺纹升程反作用力，紧固完成后，此因素对防止螺纹松动不利；

防松力矩TL可表达为：

其中K=EL/A，E为螺栓弹性模量，一般取值2.1×105MPa，L为螺栓长度，A为螺栓截面积，以M12-1.5，长度95mm，10.9级对应KB约6.3×104N/mm；

以M12螺栓为例，对防松力矩衰减敏感度进行DOE分析，涉及螺栓伸长量ΔLB等8项因子，见表1。

通过DOE分析，防松力矩TL衰减的TOP3因素为摩擦系数（端面摩擦系数及螺纹摩擦系数）、螺栓伸长量，在螺纹防松设计时需重点关注。

2 摩擦系数

摩擦系数μ是通常意义上的物理概念，是摩擦力与正压力的比值。在螺纹中，摩擦可分为螺纹副摩擦及端面摩擦两部分，摩擦系数因材质、表面状况及润滑条件的不同而不同。一般钢结构结合面的平均摩擦系数见表2。

螺纹副摩擦系数、端面摩擦系数因材料及工艺等差异存在一定波动，工程应用时，建议采用实测结果提升设计准确度，检测方法可参考GB/T 16823.3《紧固件 扭矩-夹紧力试验》对应要求。

螺栓结构承受振动、冲击载荷时，结构变形引起结合面磨损，摩擦系数降低，导致防松性能衰减；通过摩擦系数衰减抑制，可提升防松性能，常见策略有端面滚齿类（滚齿、凸点等），垫片类（厚平垫等），机械自锁类（自锁螺母，锁止垫片等），化学锁固类（螺纹锁固胶）、其它（化学稳定剂）等，其中端面滚齿类、机械自锁类会消耗防松力矩，实际应用时不能忽略此影响；常见防松策略应用见表3。

摩擦系数稳定剂可减小摩擦系数分布散差，提升螺栓强度利用率，改善结构防松性能；在丰田、大众等汽车企业均有广泛应用，应用效果见表4及图4。

3 螺栓伸长量

紧固装配时，螺栓受到拉伸作用而伸长，产生夹紧力；螺栓伸长量主要因工作载荷、磨损会发生塑性变形导致夹紧力衰减，导致防松性能下降；钢制无涂层螺栓、螺母和紧凑夹紧的变形量可在 VDI 2230中已有建议，详见表5，设计建议考虑此影响；

4 结语

螺纹联接防松设计通过对其系统原理及DOE研究识别端面摩擦系数、螺纹摩擦系数、螺栓伸长量为关键因素；在工程应用时需重点关注，以期提高螺纹联接稳健性设计。

在实际装配设计时，装配力矩因工具精度存在一定偏差，约5%～15%，在设计时应予以考量。

参考文献：

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